DDARF中锚杆失效及收敛判据的研究

DDARF成功实现了模拟岩体裂纹萌生、扩展、贯通、破碎的全过程,但缺乏有效的锚杆失效判据和程序计算收敛判据。针对锚杆体的拉断破坏,采用最大拉应力准则,并在VC++平台下程序实现;针对锚杆体的滑脱失效,采用莫尔–库仑准则对灌浆体强度进行判断,并程序实现;针对程序计算的收敛判据,采用前后两步位移差与当前步位移比值小于某个极小值的方法,并程序实现,同时考虑了松弛因子对收敛的影响。将DDARF中锚杆的失效判据及程序计算收敛判据与室内试验进行对比,并应用到工程算例中。结果表明,DDARF中锚杆的失效判据和程序计算的收敛判据是有效的,能提高计算的效率和精度,为工程中特殊部位的支护提供参考;合理的松弛因子有助于程序计算的收敛,作者建议DDARF中松弛因子取值1.4～1.8较为合理。

DDARF全长锚固岩体等效参数研究及其应用

非连续变形分析DDARF中锚杆为端锚形式,全长锚杆的研究目前处于初步阶段。为此从锚固效应的角度出发,考虑全长锚杆引起的加锚岩体力学参数的改变,从而实现DDARF中全长锚杆的锚固效应分析。文章以沂蒙抽水蓄能电站为工程背景,利用FLAC进行了毛洞、加锚岩体力学参数提高、全长锚杆支护三种工况下洞室围岩塑性区分析;利用DDARF进行了该三种工况下洞室围岩裂隙扩展分析。结果表明:FLAC分析中,参数提高和全长锚杆支护两种工况下围岩塑性区均比毛洞时显著减少,其中粘聚力提高1.18倍和全长锚杆支护两种工况吻合度较高,验证了所引用公式的合理性;DDARF分析中,参数提高和全长锚杆支护两种工况下,洞室围岩裂隙扩展规模和数量基本一致,较毛洞相比均得到了有效控制。采用锚固岩体等效参数提高来模拟DDARF全长锚杆的锚固效应,不仅大大减少了锚杆的计算工作量,而且具有较高的准确度,为DDARF中全长锚杆的锚固效应分析提供了新的思路。

DDARF网络模拟新方法及其在公路隧道中的应用

为提高DDARF(discontinuous deformation analysis for rock failure)的前处理效率,研究节理裂隙发育对公路工程的影响,基于Monte-Carlo原理编制网络模拟分析程序,与DDARF方法相融合建立计算模型;对单节理锚固试件进行单轴压缩模拟试验,研究裂隙扩展过程;对某多节理双洞公路隧道进行稳定性分析,通过监测关键点位移对隧道开挖顺序进行对比优化,并分析DDARF中锚杆的锚固效应。研究结果表明:节理岩体网络模拟程序是可行的,极大地提高了DDARF的前处理效率,数值结果与室内试验结果相吻合;隧道分步开挖比一次性开挖能减少对围岩的扰动;DDARF是一种能很好模拟锚杆锚固作用以及岩体裂隙扩展过程的不连续变形分析方法。

平行节理岩体的围岩稳定性DDARF分析

利用非连续变形分析岩石断裂方法(Discontinue Deformation Analysis for Rock Failure,DDARF)数值模拟技术对平行节理岩体试件进行理论分析和数值模拟,研究了不同侧压力状态和原生裂隙角度等物理参数对剪切破坏和峰值强度的影响程度,指出侧压力和裂隙角度是岩体发生剪切破坏的主要原因。依据实际地下工程情形,建立具有平行节理岩体的地下洞室模型,并利用非连续变形分析方法(Discontinue Deformation Analysis,DDA)模拟地下洞室开挖过程围岩结构位移和稳定性分析,研究结果表明,平行节理岩体在不同地应力条件和裂隙角度下对洞室周围岩体稳定性具有不同程度的影响。

基于DDARF的节理岩体破坏和锚固效应

采用DDARF方法模拟双裂隙试件在单轴和双轴压缩条件下的裂纹扩展过程,研究裂隙间距、裂隙角度、裂隙错距和侧向应力对岩块特性的影响,研究表明,试块的峰值强度随着裂隙间距和裂隙错距增加均呈现"W"型变化,随着角度增加呈现"V"型变化,并且随侧向压力的增加,峰值强度和起裂应力均比单轴压缩时提高。对单节理锚固试件进行单轴压缩模拟试验,得到了4种不同锚固角度试块的裂隙扩展规律,研究发现,锚固角度并不是越大越好,存在一个最优锚固角度。对某水电站坝址高边坡进行稳定性分析,加锚后坡脚虽然萌生新裂隙,但是加锚后裂隙扩展的规模和范围受到限制,裂隙并没有扩展到坡体内,无法与深部裂缝贯通,也就不能形成滑动面,从而提高边坡的稳定性并减小边坡的变形。数值模拟结果与相似材料模型试验结果吻合,表明DDARF方法能有效地模拟岩体裂隙扩展过程以及锚杆锚固作用。

含有双组平行节理岩块裂纹扩展的DDARF分析

为了研究岩块中含有的双组平行节理在岩块受力过程中的开裂、扩展情况,以及扩展过程中对于岩块内应力的影响,使用DDARF模拟了含有双组平行节理的试块的单轴压缩试验,得出了双组平行节理角度为30°时试块最不容易发生破坏,节理角度为60°时试块最容易发生破坏的结论。

非连续变形岩石断裂分析中的一种全长剪切锚杆

锚杆从锚固方式上可划分两种:端部锚固方式和全长锚固方式。全长锚固锚杆作为工程支护中的一种重要锚杆类型,具有广泛的应用前景。非连续变形分析(DDA)以及在此基础上发展的非连续变形的岩石断裂分析(DDARF)方法中锚杆为端锚形式,且只考虑了锚杆的轴向作用,而忽略了锚杆作用力对锚固岩体的侧向限制。为了更好地理解锚杆的支护机制,考虑锚杆的剪切作用,提出了DDARF中一种新的锚固形式——全长剪切锚杆支护形式。用改进的全长剪切锚杆支护方法对一公路隧道稳定性进行了分析,并与端锚支护形式进行了对比,结果表明,提出的全长剪切锚杆支护方法是有效的,锚固效果比端锚支护更好。

裂隙岩体表征单元体的确定及工程应用

以某水电站为工程背景,介绍了两种确定裂隙岩体REV的新方法:数字图像处理法和非连续变形DDARF法。依据水电站岩性差异、风化及卸荷程度,将围岩划分为若干工程地质区段并建立随机裂隙网络模型,研究尺寸效应对岩体力学参数的影响规律,获得了REV表征尺寸和等效力学参数;得到岩体的非线性强度准则,嵌入FLAC3D对水电站开挖进行模拟,并监测关键点位移。结果表明:水电站围岩的抗压强度与围压成正相关;洞室开挖对厂房上下游中部和拐角处影响较大,应加强对这些部位的支护;关键点的位移数值结果与现场监测值基本吻合,误差小于5%。数字图像处理法和DDARF法为裂隙岩体REV的确定开拓了新思路,对复杂条件下地下洞室围岩的稳定性分析有广泛的应用前景。

裂隙岩体小净距超大断面隧道围岩非连续变形分析

由于现有隧道规范不足与设计、施工经验匮乏,裂隙岩体中小净距超大断面隧道的围岩稳定性分析与中夹岩柱变形破坏特征及其支护方案优化仍是大型隧道工程建设中遇到的棘手难题。以济南市东南二环绕城高速大岭超大断面隧道为工程依托,通过对掌子面岩体结构信息的精细化描述,获取各评定指标分布概型,并应用Monte Carlo法生成符合围岩等级评价指标分布概型的大量随机数,通过归纳统计获得隶属各围岩亚级分级的概率分布,由此对岩体质量进行了稳健评估。此外,用改进的非连续变形分析（DDARF）法对大岭隧道浅埋小净距段围岩的变形破坏规律及裂隙演化过程进行了数值模拟;以裂隙扩展破碎区贯通与否作为中夹岩柱稳定性的评定依据,分别针对无锚、有锚支护条件下的围岩稳定性状况及变形特征进行了对比分析。结果表明：无锚支护条件下,隧道后行洞开挖对先行洞的裂隙扩展及变形有一定影响,但不明显;而锚杆支护则可显著约束围岩尤其是中夹岩柱的裂隙扩展及贯通,锚杆支护条件下二次扰动后先行洞围岩的裂隙扩展情况、变形破坏特征与单洞开挖无异,且系统锚杆支护与中夹岩柱水平加长锚杆支护对裂隙演化的控制效应无较大区别。研究结果对裂隙岩体中小净距超大断面隧道围岩的支护方案优化有实际指导意义。

节理岩体剪切试验的非连续变形方法分析

参照前人对含断续节理岩体所做剪切模型试验的结果,采用改进的非连续变形分析方法 (Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure,DDARF)对剪切试验进行数值模拟。从破裂现象看,仿真计算和模型试验结果相符良好。随后又对断续节理做雁形排列变化,研究对比了不同阶梯状排列裂隙的模型破裂现象及相应的模型峰值剪切强度。研究结果表明,裂隙扩展的过程始于预制裂隙两端的张力裂纹,随着张力裂隙的扩大在其附近生成许多细微裂纹,这些裂纹的贯通导致了模型的最终破坏。

不同侧压对于节理岩体特性和洞室稳定性的影响

利用DDARF(discontinuous deformation analysis for rock failure)方法对含有45°平行节理的试块进行了双轴压缩数值模拟试验,分析了侧压不同对于原生裂隙起裂和试块破坏的影响,得出了侧压会抑制原生裂隙的开裂和试块的破坏的结论;为了与完整岩体做比较,建立了相同尺寸和参数的完整岩体的试块模型,做了同样的双轴压缩试验,得到了45°节理岩体和完整岩体的包络线和包络线方程,两者的包络线可分别得到对应的c、φ值,可分别建立45°节理围岩和完整围岩的地下洞室模型,用Flac-3d程序模拟了两种洞室的开挖过程,并得到了两种洞室开挖完后的塑性区面积和关键点位移,通过比较可以得出节理对围岩的稳定性影响颇大的结论。

双组平行节理围岩的稳定性分析

为了研究含有不同角度双组平行节理时围岩的稳定性,本文使用DDARF(Discontinuous Deformation Analysis for Rock Failure)新方法模拟了含有双组平行节理围岩的地下洞室开挖过程,双组平行节理的角度分别取30°、45°和60°三种工况进行试验,由试验得到了洞室开挖完成后的破损情况和拱顶、边墙、底板的关键点位移,分析该结果可以得出双组节理角度为60°时洞室围岩的稳定性在三种工况中最差的结论。

岩质边坡倾倒破坏的非连续变形分析

岩质边坡倾倒破坏存在块体的滑移、转动,及块体本身的折断。常规的离散元、非连续变形分析方法(DDA)虽然擅长处理块体的滑移和转动,但不能模拟连续体本身的破坏。然而通过在DDA方法中引入虚拟节理和真实节理的概念(即DDARF方法),用真实节理表征岩体中已经存在的天然节理、层面等,用起粘结作用的虚拟节理表征连续体。该方法可模拟连续体的变形及连续体的破坏。为此,首先对DDARF方法中的虚拟节理模型进行了着重的介绍。然后利用DDARF方法对龙滩边坡倾倒破坏的离心模型试验进行研究。研究结果表明,反倾块体的下部几乎没有明显的位移,而位于破坏面以上的部分产生明显的倾倒位移,导致在反倾块体的中部发生弯折破坏,形成贯通整个坡体的破坏面。数值模拟结果与离心模拟试验结果吻合得很好,验证了DDARF方法的有效性。

基于非连续变形分析方法的深部沿空掘巷围岩变形破坏及控制机制对比研究

利用非连续变形分析方法(DDARF)对单节理锚固试件在单轴压缩条件下的变形破坏及裂隙扩展过程进行分析,并以深部厚顶煤综放沿空掘巷——赵楼煤矿11302工作面轨道巷为工程背景,应用DDARF对沿空巷道围岩的变形破坏及控制机制进行研究,同时利用地质力学模型试验及现场试验进行对比验证。重点分析了沿空巷道围岩裂隙演化规律,并定义裂隙率cR及裂隙减少率rR两个指标对DDARF计算中的沿空巷道裂隙演化规律进行定量分析。研究结果表明:采用DDARF方法对单节理试件在无锚和加锚条件下的单轴压缩试验计算与室内试验结果相吻合;对沿空掘巷过程中巷道围岩变形情况进行DDARF计算,结果显示,围岩变形呈现沿空帮>顶板>实体帮>底板的变化趋势,与模型及现场试验监测数据相符;根据cR及rR两个指标对计算得到的无锚和加锚沿空巷道围岩裂隙发育情况进行定量分析,结果显示,沿空巷道围岩破坏趋势为cI cII cIIIR?R?R,与变形趋势相一致;虽然锚固效果明显,但由于Ⅰ区、Ⅱ区本身围岩破碎严重,支护后裂隙率最大的cIR仍然是裂隙率最小的cIIIR的2.13倍,为了维护围岩稳定性,除了进行锚杆(索)非对称支护外,还应对Ⅰ区、Ⅱ区关键部位增加支护措施。DDARF方法关于沿空巷道围岩变形破坏的计算结果与实际工程相近,可有效开展裂隙演化与变形破坏机制研究,分析此类巷道的控制对策。

岩石破坏非连续变形分析弹脆性本构模型的二次开发

岩石非连续变形分析方法DDARF成功实现了模拟岩体裂纹萌生、扩展、贯通、破碎的全过程,但算法只考虑了岩体的线弹性本构模型,没有分析岩体的非线性应力-应变关系。为更符合真实岩体工程,同时扩展岩石非线性本构模型的应用范围,分别采用摩尔-库仑强度准则和最大拉应力强度准则对岩体进行剪切和拉伸破坏判断;对理想弹脆性本构模型进行算法分析,并在VC++平台下程序实现;对"自定义"的岩体非连续变形分析方法弹脆性本构模型与室内单轴压缩试验进行比较分析;将岩体非连续变形分析方法弹脆性本构模型应用于大型地下洞室开挖,并与线弹性本构模型进行对比。结果表明,非连续变形分析方法中自定义岩体弹脆性本构模型是可行的,它能够反映岩体变形的非线性特征,与室内试验吻合度较好;非连续变形分析方法弹脆性本构模型应用于大型地下工程,能更安全且真实地分析洞室围岩的稳定性,进而更好地指导地下洞室的防护措施。